- 59 -

Глава VI. Атом

§ 6.1. Развитие представлений о строении атома

Представление об атоме как о мельчайшей неделимой частице вещества возникло еще в античные времена и просуществовало в таком виде до второй половины XIX века. К началу ХХ века уже было известно, что атом не имеет электрического заряда, что размеры атомов порядка 10^-10 м, и что электроны входят в состав атома любого вещества. Эти представления отразились в модели атома Томсона (1903 г.), получившей название «булки с изюмом»: в положительно заряженный объем атома – «булку» вкраплены электроны – «изюминки», так что суммарный электрический заряд равен нулю. Электрон в такой модели является гармоническим осциллятором и испускает электромагнитные волны, что и наблюдается.

Однако последующие исследования Резерфорда по рассеянию α-частиц фольгой показали несостоятельность этой модели. Результаты опытов Резерфорда похожи на игру в футбол с деревьями, редко растущими на опушке леса: мяч, не встретив преграды, прямолинейно летит в лес, сталкиваясь изредка с деревьями, мяч изменяет направление движения, при лобовом столкновении угол рассеяния может достигать 180⁰. На основании этих экспериментов и расчетов Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома: вокруг плотного положительно заряженного ядра, в котором практически целиком сосредоточена масса атома, а радиус ядра на пять порядков меньше радиуса атома, вращаются электроны. Эта модель еще называется планетарной, так как она подобна Солнечной системе. Но и эта модель оказалась несостоятельной по следующим трем причинам: не объясняла устойчивость атома, не объясняла линейчатый характер спектров атомов, и не объясняла отсутствие излучения в нормальном состоянии атома. Согласно классической физике, вращающийся вокруг ядра электрон обязательно имеет ускорение, а ускоренно движущийся заряд должен излучать электромагнитные волны. Следовательно, он будет терять энергию, уменьшать радиус орбиты и, в конце концов, падать на ядро. Расчеты показывают, что этот процесс имеет продолжительность порядка наносекунд. При падении на ядро частота вращения электрона плавно изменяется и, соответственно, непрерывно изменяется частота излучения, давая сплошной спектр. Таким образом, классическая физика не смогла создать адекватную опыту модель атома.

Рис.6.1

§ 6.2. Спектры испускания и поглощения атомов. Формула Бальмера

В запаянной стеклянной трубке находится, разреженный газ, состоящий из атомов. Если в такой трубке возбудить электрический разряд, она начинает светиться: энергия электрического тока преобразуется в оптическое излучение. Подобные газорязрядные трубки используют как источники света, например, ртутные лампы дневного света, трубки газосветной рекламы разных цветов. Совокупность длин электромагнитных волн, испускаемых атомами определенного вещества, называется спектром испускания. Из опыта следует, что спектр излучения атома имеет линейчатый характер: атомы излучают электромагнитные волны на отдельных длинах волн, причем, набор этих длин волн является индивидуальной характеристикой атома. После прохождения сквозь разреженный газ белого света, имевшего сплошной спектр, на разноцветной спектральной картине появляются черные линии. Они свидетельствуют о поглощении атомами энергии падающего излучения на отдельных длинах волн. Спектр поглощения и спектр испускания точно совпадают друг с другом. Такое свойство спектра атома использует физический метод определения количественного и качественного состава вещества - спектральный анализ.

Еще в XIX в. швейцарский ученый Бальмер получил для спектра атома водорода в видимой области эмпирическую формулу. Более поздние исследования других ученых обнаружили, что испускаются также ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, и что спектральные линии можно объединить в серии (группы) и описать одной эмпирической формулой. Она получила название объединенной формулы Бальмера:

(6.1)

Здесь λ – длина волны в спектре атома водорода, R=1.097^.10⁷м^-1- постоянная Ридберга, m,n – не равные друг другу целые числа от 1 до . Задав некоторое значение m и придавая n все целочисленные значения от n=m+1 до n=, получим все линии серии, соответствующей определенной части спектра. Некоторые серии получили название по именам ученых, открывших их:

m=1 – серия Лаймана, расположена в ультрафиолетовой области спектра;

m=2 – серия Бальмера, расположена в видимой области спектра.

Серии для m≥3 инфракрасные: m=3 – Пашена; m=4 – Брекета; m=5 – Пфунда и т. д. Граница каждой серии соответствует n=, это наименьшая длина волны и наибольшая частота излучения.

Сериальная формула Бальмера отражает склонность природы к скачкообразному (квантовому) изменению характеристик, нашедшему отражение в модели атома Бора.